一种柔性空腔型压电微超声换能器

1.本实用新型涉及一种压电微超声换能器，尤其涉及一种柔性空腔型压电微超声换能器。


背景技术：

2.在人工智能与信息物联网的时代下，柔性微超声换能器为目前先进的柔性可穿戴设备在传感领域开辟了一个新维度。柔性微超声换能器具有优异的机械灵活性，结构小巧轻薄，能够在一定程度上适应不同的工作环境，满足人体对于设备形变的要求。柔性微超声换能器在可植入式无线供电、异型结构内部的损伤检测、表皮下深层组织的生理信号捕捉等领域表现出独特的优势，在能量收集、神经调控、人体生理健康监控、交互式界面等领域具有广泛的应用前景。
3.在现有技术中，主要存在两种结构的柔性微超声换能器。
4.一种是基于压电薄膜叠堆的柔性微超声换能器，实现方式为在柔性材料上依次沉积底电极、压电薄膜(pzt、zno、aln等)、上电极以制备器件。这种结构的器件在厚度共振模态下工作，工作频率较高，并且频率设计严格受压电薄膜厚度限制，设计灵活性不高。
5.另一种是基于块状压电陶瓷的柔性微超声换能器，实现方式为使用柔性铰链连接硬性压电陶瓷以形成一种“岛-桥结构”。这种结构的器件局部为刚性，整体表现为柔性，其结构复杂，尺寸相对较大，而且使用的压电陶瓷含有铅元素，不利于生物相容性的实现。


技术实现要素：

6.实用新型目的：本实用新型的目的为提供一种频率设计灵活、结构简单、尺寸小、生物相容性好的柔性空腔型压电微超声换能器。
7.技术方案：本实用新型的柔性空腔型压电微超声换能器，包括压电薄膜叠堆和柔性衬底。所述柔性衬底包括基片以及涂敷在基片上的粘接层，所述基片中心有一柔性衬底通孔用于悬空支撑压电薄膜叠堆以形成空腔结构，从而使压电薄膜叠堆能够产生弯曲振动模态。通过压电薄膜的逆压电效应，并在圆形空腔固定约束的边界条件下，施加特定频率的交流信号会使得压电薄膜叠堆产生相应频率的上下弯曲振动，从而产生向介质中传播的超声波。位于所述柔性衬底通孔四周设计有依次排列的三角形和矩形对准孔槽用于基片与压电薄膜叠堆对准定位。
8.本实用新型的柔性空腔型压电微超声换能器工作在弯曲振动模态下。
9.进一步地，压电薄膜叠堆包括自下而上的下电极、压电薄膜和上电极。
10.压电薄膜采用聚偏氟乙烯材料便于无铅生物相容性的实现。
11.优选的，在基片一边设计有一矩形引线口，用于为下电极连线预留位置。粘接层均匀覆盖在基片上用于与压电薄膜叠堆粘接键合。
12.有益效果：与现有技术相比，本实用新型具有如下显著优点：
13.(1)柔性空腔型压电微超声换能器基于弯曲振动模态，工作频率不仅取决于压电
薄膜的厚度，还受空腔直径、非压电材料物理参数的影响；多参数使得器件的设计更加灵活，工作频率跨度范围更大，适应性更广；
14.(2)弯曲振动模态的柔性空腔型压电微超声换能器采用具有生物相容性的薄膜材料，结构简单轻薄，不存在铅污染；同时，本实用新型的微超声换能器全采用柔性材料，使得器件在局部和整体都能表现出良好的柔性；
15.(3)弯曲振动模态的柔性空腔型压电微超声换能器可在空气和液体介质中工作，其频率设计灵活、结构轻薄、生物相容性好的特点使其更适合生物可穿戴设备、异性面无损检测、曲面超声成像等应用。
附图说明
16.图1是本实用新型中采用弯曲振动模态的柔性空腔型压电微超声换能器的剖面示意图；
17.图2是本实用新型中采用弯曲振动模态的柔性空腔型压电微超声换能器的俯视图；
18.图3是本实用新型中基片的俯视图。
具体实施方式
19.下面结合附图对本实用新型的技术方案作进一步说明。
20.如图1-图3所示，为一种弯曲振动模态的柔性空腔型压电微超声换能器，包括压电薄膜叠堆6和柔性衬底7。
21.压电薄膜叠堆6包括自下而上的下电极3、压电薄膜2和上电极1。上电极 1和下电极3的材质为低温固化型导电银浆，通过均匀涂敷在压电薄膜2上并固化，以形成厚度为10μm的电极。压电薄膜2的材质为聚偏氟乙烯(pvdf)，厚度为28μm。
22.柔性衬底7包括基片5，以及涂敷在基片上的粘接层4。基片5厚度为100μm，材质为聚酰亚胺。基片5中心有一直径为800μm的柔性衬底通孔8，柔性衬底通孔8四周设计有依次排列的三角形和矩形的对准孔槽9。同时在基片5的一边设计有一矩形引线口10用于下电极导线12与下电极3相连。粘接层4采用热固型聚酰亚胺溶液，厚度为4μm，均匀覆盖在基片5表面除去柔性衬底通孔8、对准孔槽9和矩形引线口10的位置。
23.基片5通过粘接层4与压电薄膜叠堆6进行粘接键合，粘合时压电薄膜叠堆 6的边缘与基片5上的对准孔槽9的外边缘对齐，以保证柔性衬底通孔8处于压电薄膜叠堆6的正下方。由于柔性衬底通孔8的位置不涂敷粘接层4，因此柔性衬底通孔8未与压电薄膜叠堆6粘连，从而使此位置的压电薄膜叠堆6悬空以形成空腔结构。
24.上电极1、下电极3分别通过上电极导线11、下电极导线12与外部触发信号的负极和正极相连。通过压电薄膜2的逆压电效应，并在柔性衬底通孔8边缘固定的约束条件下，施加特定频率的交流信号会使得压电薄膜叠堆6在柔性衬底通孔8的位置产生相应频率的上下弯曲振动，从而产生向介质中传播的超声波。


技术特征：
1.一种柔性空腔型压电微超声换能器，其特征在于：包括压电薄膜叠堆(6)和柔性衬底(7)，所述柔性衬底(7)包括基片(5)以及涂敷在基片(5)上的粘接层(4)，所述基片(5)中心有一柔性衬底通孔(8)用于悬空支撑压电薄膜叠堆(6)以形成空腔结构，位于所述柔性衬底通孔(8)四周设计有依次排列的三角形和矩形对准孔槽(9)用于基片(5)与压电薄膜叠堆(6)对准定位。2.根据权利要求1所述的柔性空腔型压电微超声换能器，其特征在于：所述压电薄膜叠堆(6)包括自下而上的下电极(3)、压电薄膜(2)和上电极(1)。3.根据权利要求2所述的柔性空腔型压电微超声换能器，其特征在于：所述压电薄膜(2)采用聚偏氟乙烯材料。4.根据权利要求1所述的柔性空腔型压电微超声换能器，其特征在于：在所述基片(5)一边设计有一矩形引线口(10)。5.根据权利要求1所述的柔性空腔型压电微超声换能器，其特征在于：粘接层(4)均匀覆盖在基片(5)上用于与压电薄膜叠堆(6)粘接键合。

技术总结
本实用新型公开了一种柔性空腔型压电微超声换能器，包括压电薄膜叠堆和柔性衬底。压电薄膜叠堆包括自下而上的下电极、压电薄膜和上电极。本实用新型中的柔性空腔型压电微超声换能器的工作频率设计灵活，结构轻薄，成本低，并且无铅污染，生物相容性好。生物相容性好。生物相容性好。


技术研发人员：刘威 吴大伟 曹腾 王柏权 温智益
受保护的技术使用者：南京航空航天大学
技术研发日：2020.12.22
技术公布日：2022/2/8